MEJORAMIENTO EFICIENCIA ENERGÉTICA PARA PONTONES ALIMENTADORES

Mejoramiento eficiencia energtica pontones alimentadores Pgina 1

Universidad Austral de Chile Facultad de Ciencias de la Ingeniera

MEJORAMIENTO EFICIENCIA ENERGTICA PARA PONTONES ALIMENTADORES

Integrantes:

Carlos Galaz

Francisco Rojas

Gabriel Zumelzu


ndice General

ndice General ................................................................................................................................... 2

ndice Tablas ..................................................................................................................................... 5

ndice Figuras .................................................................................................................................... 7

1. Introduccin ................................................................................................................................... 9

2. Definicin del problema ............................................................................................................. 10

3. Descripcin de la Problemtica ............................................................................................... 10

4. Objetivo Principal ....................................................................................................................... 10

4.1 Objetivos especficos .............................................................................................................. 10

5. Requerimientos .......................................................................................................................... 11

6. Situacin actual de generacin de energa elctrica para los pontones alimentadores

de salmones .................................................................................................................................... 13

7. Generacin de alternativas ....................................................................................................... 17

7.1 Aprovechamiento calor residual ........................................................................................ 17

7.2 Recuperacin de energa en motor disel ....................................................................... 17

7.2.1 Recuperacin de calor sistema de refrigeracin ..................................................... 18

7.2.2 Recuperacin calor gases de escape ....................................................................... 18

7.3. Motor disel Principal 176Kw (220kva) ........................................................................... 19

7.3.1 Transferencia de calor en motor disel (176KW) .................................................... 20

7.4 Motor disel secundario 28kW (35kva) ............................................................................ 21

7.4.1 Transferencia de calor en motor diesel (28Kw) ....................................................... 21

7.5 Motor disel 88 Kw (110 kva) ........................................................................................... 22

7.6 Transferencia de calor hacia el refrigerante motor principal 176 Kw ......................... 22

7.7 Alternativas para la produccin de agua sanitaria. ......................................................... 26

7.7.1 Alternativa caldera de recuperacin gases de escape .......................................... 27

7.7.2 Alternativa depsitos de vaporizacin instantnea ................................................. 28

7.7.3 Alternativa motores que traen incorporado los sistemas recuperacin de calor

residual ..................................................................................................................................... 29


8. Implementacin ERNC ............................................................................................................. 29

8.1 Generacin elica ................................................................................................................ 29

8.1.1 Ventajas de la utilizacin de la energa elica .................................................... 31

8.1.2 Desventajas de la utilizacin de la energa elica................................................... 32

8.1.3 Velocidades de viento en zona de estudio .......................................................... 32

8.1.4 Seleccin de aerogenerador. ...................................................................................... 34

8.1.5 Anlisis de aerogenerador Bergey Excel-S 10kW .................................................. 35

8.1.6 Emplazamiento del aerogenerador en el pontn. ................................................... 41

8.2 Generacin solar o energa solar fotovoltaica ................................................................. 42

8.2.1 Tipos de paneles fotovoltaicos ................................................................................... 44

8.2.2 Ventajas de la utilizacin de la energa fotovoltaica ............................................... 46

8.2.3 Desventajas de la utilizacin de la energa fotovoltaica ......................................... 46

8.2.4 Irradiacin solar en la zona de estudio ..................................................................... 47

8.2.5 Anlisis de irradiacin solar de mes de Junio de 2003 y Junio 2012 ................... 49

8.2.6 Superficie actual disponible para paneles fotovoltaicos. ........................................ 51

8.3 Consumo de energa elctrica diaria actual .................................................................... 53

8.4 Conclusiones ........................................................................................................................ 54

8.5 Generacin combinada de energa elctrica ........................................................ 56

9. Normativa aplicable al proyecto ............................................................................................... 58

9.1 Impacto ambiental ............................................................................................................... 58

9.2 Conceptos Normativas ambientales ................................................................................. 58

9.3 La huella de carbono ........................................................................................................... 60

9.3.1 Equipos electrgenos .................................................................................................. 60

9.4 Normativa Aplicable a la generacin mediante ERNC .................................................. 62

10. Evaluacin de alternativas...................................................................................................... 63

10.1 Alternativa escogida para cogeneracin. .............................................................. 63

10.1.1 Intercambiador de calor recuperacin de gases ......................................... 64

10.2 Calefaccin en pontn habitable .................................................................................... 66

10.2.1 Determinacin coeficientes de transmisin trmica de los cerramientos ........ 68

10.2.2 Perdidas de calor........................................................................................................ 69

10.2.3 Resultados calculo prdidas ..................................................................................... 69


10.3 Agua caliente sanitaria ..................................................................................................... 71

10.3.1 Horario de alimentacin y funcionamiento de motor Cummins C220 Dc .......... 71

10.3.2 Intercambiadores de calor necesario para el agua sanitaria ............................... 73

10.4 Implementacin ERNC ..................................................................................................... 76

10.4.1 Posicionado de paneles fotovoltaicos ..................................................................... 77

10.4.2 Seleccin del regulador de carga ............................................................................ 79

10.4.3 Clculo del banco de bateras .................................................................................. 80

10.4.4 Seleccin del Inversor de carga ............................................................................... 81

10.4.5 Tramos del cableado ................................................................................................. 81

10.4.6 Sistema soportante de paneles solares .................................................................. 84

11. Evaluacin Econmica ............................................................................................................ 86

11.1 Evaluacin econmica cogeneracin ............................................................................. 86

11.1.1 Costos e Inversiones ................................................................................................ 86

11.1.2. Evaluacin de proyecto ............................................................................................ 95

11.1.3 Conclusin ................................................................................................................... 99

11.2 Evaluacin econmica ERNC ........................................................................................ 100

11.2.1 Antecedentes generales .......................................................................................... 100

11.2.2 Anlisis de los escenarios ....................................................................................... 101

11.2.3 Conclusin ................................................................................................................. 106

12. Conclusin final ...................................................................................................................... 107

13. Bibliografa .............................................................................................................................. 110

Apndices ...................................................................................................................................... 112

A. Calculo calor conveccin ........................................................................................................ 112

B. Caculo de emisiones toneladas aos gases efecto invernadero de grupo electrgeno.

......................................................................................................................................................... 114

C. Calefaccin ............................................................................................................................... 115

c.1 Determinacin de los coeficientes Ke ............................................................................. 115

c.2 Clculo del coeficiente de transmisin de calor de las ventanas ............................... 116

c.3 Clculo del coeficiente de transmisin de las puertas ................................................. 116

c.4 Determinacin del coeficiente Ks .................................................................................... 117

c.5 Calculo coeficiente de transmisin de calor del techo Kt ....................................... 117

c.6 Detalle clculos carga trmica por transmisin de cerramientos ............................... 119


c.7 Detalle calculo carga trmica por infiltraciones ............................................................. 124

D. Agua caliente sanitaria ........................................................................................................... 125

d.1 intercambiador de calor .................................................................................................... 127

d.1.1 Estimacin del flujo de calor requerido ................................................................... 128

d.1.2 Clculo de la diferencia de temperatura media logartmica (LMTD) .................. 129

d.1.3 Estimacin del coeficiente global de transferencia de calor ( ) para

intercambiador. ..................................................................................................................... 130

E. Cotizaciones ............................................................................................................................. 132

ndice Tablas

Tabla 1: Demandas elctricas de Pontones alimentadores de salmones ......................... 14

Tabla 2: Resumen aplicacin y tipos de intercambiadores de calor ................................. 19

Tabla 3: Ficha tcnica C220 D5 ....................................................................................... 20

Tabla 4: dato motor C220 D5 ........................................................................................... 20

Tabla 5: Ficha tcnica C38 D5 ......................................................................................... 21

Tabla 6: Ficha tcnica C38 D5 ......................................................................................... 21

Tabla 7: Velocidades del viento a diferentes alturas ........................................................ 34

Tabla 8: Generaciones mximas, medias y mnimas de energa elctrica de

aerogeneradores. ............................................................................................................ 35

Tabla 9: Especificaciones tcnicas de aerogenerador seleccionado ................................ 35

Tabla 10: Generacin promedio diario por mes con su mnimo, mximo y su promedio. . 36

Tabla 11: Generacin de energa elctrica en los das ms bajos de Marzo de 2010 (en

kWh). ............................................................................................................................... 37

Tabla 12: Promedio diario anual de irradiacin solar........................................................ 48

Tabla 13: Promedio mensual de la energa sumada en todas las horas al da (kWh/m2

da). ................................................................................................................................. 48

Tabla 14 : Irradiacin ms baja del mes de Junio de 2012. ............................................. 51

Tabla 15: Superficie del techo de 3 Pontones construidos por el fabricante Sitecna. ....... 52

Tabla 16: Consumo diario promedio de la casa del pontn (en kWh). ............................. 53

Tabla 17 Generacin probable en mes de Junio .............................................................. 56

Tabla 18 Generacin probable en mes de Marzo ............................................................ 57

Tabla 19 valores permitidas toneladas ao grupos electrgenos. .................................... 61


Tabla 20 Niveles Mximos Permisibles De Presin ......................................................... 62

Tabla 21 Resultados calculo prdidas de calor ................................................................ 70

Tabla 22 Valores referenciales equipos cogeneracin ..................................................... 88

Tabla 23 Consumo especfico para distintas velocidades y potencias nominales ............ 89

Tabla 24 Factor de correccin kc para consumo de combustible segn punto operacin X

%. .................................................................................................................................... 89

Tabla 25 precio diesel por litro ......................................................................................... 90

Tabla 26 Costo combustible generador 110 kva .............................................................. 90

Tabla 27 Costo combustible generador 35 Kva................................................................ 91

Tabla 28 Costo combustible generador 220 Kva .............................................................. 91

Tabla 29 Valores de referencia para mantenimiento preventivo de grupo generadores. . 93

Tabla 30 Costo de Mantenimiento grupo electrgeno 35 KVA ........................................ 94

Tabla 31 Costo de Mantenimiento grupo electrgeno 110 KVA ...................................... 94

Tabla 32 Costo de Mantenimiento grupo electrgeno 220 KVA ...................................... 95

Tabla 33 Valor actual de los costos (V.A.C) de los 3 casos ............................................. 99

Tabla 34 Costos anuales de mantencin preventiva. ..................................................... 101

Tabla 35 Inversin de implementacin ERNC. ............................................................... 104

Tabla 36 Mantenciones preventivas tercer escenario. ................................................... 105

Tabla 37 Costos instalacin sistema de bateras. .......................................................... 105

Tabla 38 Valor actual de los costos (V.A.C) de los 3 escenarios estudiados. ................ 106

Tabla c 1 Materiales muro exterior ................................................................................. 116

Tabla c 2 Materiales piso pontn ................................................................................... 117

Tabla c 3 Materiales techo ............................................................................................. 118

Tabla d 1 temperatura media gases de escape en motores diesel................................. 132


ndice Figuras

Figura 1: Consumo de combustible para distintos tipos de generadores.......................... 15

Figura 2: Balance energa motor combustin interna. ...................................................... 17

Figura 3: Motor Cummins C220 D5 .................................................................................. 19

Figura 4: Transferencia de calor hacia refrigerante .......................................................... 23

Figura 5: Caldera de recuperacin de gases de escape .................................................. 27

Figura 6: Depsito de vaporizacin instantnea ............................................................... 28

Figura 7: Motor con sistema de cogeneracin ................................................................. 29

Figura 8: Partes internas de un aerogenerador ................................................................ 30

Figura 9: Aerogenerador pequeo para uso en hogares. ................................................. 30

Figura 10: Ubicacin del lugar de estudio de los vientos. ................................................. 33

Figura 11: Aerogenerador Bergey Excel-S. ...................................................................... 36

Figura 12: Grfica con los menores das de potencia generada en Marzo de 2010. ........ 38

Figura 13: Ciclos medios de potencia de aerogenerador Bergey Excel-S segn mes del

ao. ................................................................................................................................. 39

Figura 14: Ciclos medios de potencia de aerogenerador Bergey Excel-S segn hora del

da. .................................................................................................................................. 39

Figura 15: Serie de potencia de aerogenerador Bergey Excel-S, la lnea roja son los

promedios diarios ............................................................................................................ 41

Figura 16: Superficies libres del pontn para el posible emplazamiento del aerogenerador

(enmarcado en amarillo). ................................................................................................. 42

Figura 17: Panel fotovoltaico. ........................................................................................... 43

Figura 18: Esquema bsico de una instalacin fotovoltaica. ............................................ 44

Figura 19: Placa fotovoltaica monocristalina. ................................................................... 45

Figura 20: Placa fotovoltaica policristalina. ...................................................................... 45

Figura 21: Grfica de irradiacin solar mensual de Junio 2003 (en W/m2). ..................... 49

Figura 22: Grfica de irradiacin solar mensual de Junio 2012 (en W/m2) ...................... 50

Figura 23 Dimensin del panel seleccionado ................................................................... 51

Figura 24: Disposicin de los techos de un Pontn. ......................................................... 52

Figura 25 Termoelctricos actuales ................................................................................. 63

Figura 26 nuevo sistema propuesto para captacin de calor residual .............................. 65

Figura 27 intercambiador utilizado ................................................................................... 65

Figura 28 intercambiador utilizado ................................................................................... 66


Figura 29 Plano pontn habitable .................................................................................... 67

Figura 30 grafica de funcionamiento motor Cummins C220 Dc ....................................... 71

Figura 31 termoelctricos actuales .................................................................................. 72

Figura 32 estanque acumulador de agua caliente ............................................................ 73

Figura 33 intercambiador de calor de contraflujo ............................................................. 74

Figura 34 Partes intercambiador tubos y coraza .............................................................. 75

Figura 35 Trayectoria del sol en la zona de estudio. ........................................................ 76

Figura 36 Dimensiones del techo propuesto. ................................................................... 77

Figura 37 Posicionamiento de los paneles y espaciado entre ellos. ................................. 78

Figura 38 Software seleccionador de regulador de carga Midnite Solar. .......................... 79

Figura 39 Batera solar Hoppecke 6OPzS 910 Ah a 12 VDC. .......................................... 81

Figura 40 Vista lateral de montaje de paneles solares. .................................................... 85

. Figura 41 Serie de paneles conectados entre s. ........................................................... 85

Figura 42 Valores referenciales base para grupos electrgenos Diesel. .......................... 87

Figura 43 Consumo de combustible generador marca Cummins ................................... 102

Figura 44 Grfica del valor del petrleo promedio anual 1994-2012 y proyeccin a 10

aos. .............................................................................................................................. 103

Figura d 1 Estanque acumulador de agua caliente ....................................................... 125


1. Introduccin

Chile tiene un desafo en el cual quiere contar con recursos energticos suficientes para

lograr el desarrollo esperado en las prximas dcadas. Gracias a esto es que ha nacido la

estrategia nacional de energa, ENE. La cual su finalidad es fijar un rumbo hacia el

desarrollo de la matriz energtica.

Hoy en da Chile cuenta con una capacidad instalada de aproximadamente 17 mil MW:

74% est en el Sistema Interconectado Central, SIC; 25% en el Sistema Interconectado

Norte Grande, SING, y menos del 1% en los sistemas medianos de las Regiones de

Aysn y Magallanes. Considerando la tendencia de crecimiento econmico al ao 2020,

se proyecta un aumento de consumo elctrico cercano a 100 mil GWh de demanda total

de energa a ese ao (Fuente: Ministerio de Energa).Es por ello que se debe incorporar 8

mil MW de capacidad instalada a nuestro sistema. Se conoce que debido a distintas

actividades del humano y a procesos ineficientes de produccin de energa se generan

distintos gases nocivos para el ambiente, producindose as el llamado efecto

invernadero La mayor parte del dixido de carbono que es principal causante del efecto

invernadero proviene de la combustin de combustibles fsiles, es por ello que se busca

optimizar diversos procesos de la transformacin de energa, siendo el caso de los

motores de combustin interna.

Adentrndose en el contexto del proyecto, el desarrollo de la actividad acucola en la zona

sur austral de Chile ha tenido un importante crecimiento en las ltimas dcadas,

representando actualmente ms del 30% del PIB de las regiones de Los Lagos y Aysn.

Este sector, el cultivo de salmn en la Zona Austral de Chile dependen de un suministro

energtico constante, confiable y a un precio competitivo para seguir participando en los

mercados internacionales. Actualmente, estos centros disponen nicamente de

generadores disel, estando afectos al constante aumento de los precios de los

combustibles y a regulaciones internacionales cada vez ms exigentes en materia

medioambiental para la produccin de salmn, esto ha llevado a la necesidad de buscar

alternativas para disminuir, total o parcialmente, la dependencia de los combustibles

fsiles en la salmonicultura. Es por ello que se ha manifestado la generacin de energa

elctrica aprovechando los recursos naturales entregados por la naturaleza y que pueden

ser generados gracias al uso de Energas Renovables No Convencionales (ERNC), para

lograr una gran efectividad, confiabilidad y estabilidad que asegure la productividad en

estos centros de cultivo en todo momento.


2. Definicin del problema

El calor residual de los motores disel es desaprovechado liberndose a la atmosfera y

los generadores son sometidos a peaks de poca duracin y largos periodos de baja

demanda. Esta baja de eficiencia conduce a un elevado costo por kWh generado.

3. Descripcin de la Problemtica

En Pontones para crianza de salmones en la regin de Aysn, se requiere

implementar un sistema de recuperacin de calor de motores disel de combustin

interna asociados a los generadores elctricos que hacen funcionar los alimentadores de

salmones ya que estos liberan el calor a la atmosfera siendo este desaprovechado,

adems se debe realizar un anlisis tcnico econmico y ambiental de distintos tipos de

ERNC para alimentar el consumo de los habitantes del Pontn ya que estos dependen del

generador Diesel de 220kVA el cual su principal funcin es alimentar los peces trabajando

mximo 4 horas al da a su capacidad mxima, producindose as una baja eficiencia.

4. Objetivo Principal

- Realizar un sistema de recuperacin de calor en el motor disel del generador

elctrico del Pontn.

- Seleccionar y realizar una evaluacin tcnica, econmica y ambiental de algn

sistema de energa renovable no convencional (ERNC) para apoyar la

alimentacin de energa elctrica de los consumos de los habitantes del Pontn.

4.1 Objetivos especficos

- Disear un sistema de recuperacin de calor obteniendo calor residual aportado

por el agua del radiador y del sistema de escape para calentar agua del sistema

de duchas y/o de calefaccin del Pontn.

- Estudiar el posible uso de algn sistema de ERNC en los Pontones en la regin de

Aysn de acuerdo a una evaluacin tcnica, econmica y ambiental.

- Seleccionar un sistema de ERNC para alimentar de energa elctrica al consumo

de los habitantes del Pontn.

- Considerar aspectos medio ambientales involucrados en la ejecucin del proyecto.


5. Requerimientos

Previa entrevista con el director de proyecto el cual en base a sus necesidades

se pudieron generar los siguientes requerimientos:

Calefaccionar pontn flotante a partir del aprovechamiento calor residual generado

por los grupos electrgenos.

Producir agua caliente de uso sanitario a partir del aprovechamiento calor residual

generado por los grupos electrgenos.

Estudiar viabilidad de implementar ERNC en pontn flotante para satisfacer

los consumos elctricos de la casa del pontn.

Uno de los mtodos para entender de mejor forma la problemtica del proyecto es aplicar

el mtodo de la QFD, es por ello que se refinan los requerimientos y se generan distintas

especificaciones tcnicas, que se detallan a continuacin.

Requerimientos

Utilizacin de ERNC

Disminucin consumo combustible

Suministro agua sanitaria constante

Generacin agua sanitaria

Climatizar pontn

Disminucin consumo elctrico

Especificaciones tcnicas

Temperatura ambiente 20C para la calefaccin del pontn, se tendr en cuenta

las consideraciones de la norma NCh 853.

Agua caliente a 45C temperatura ptima (Decreto Supremo N 594).

Depsito de acumulacin, para garantizar agua caliente en cualquier momento,

con suficiente capacidad para cualquier uso previsto, cumpliendo con las

normativas internacionales de diseo de este (Legislacion comunitaria 97/23/CE,

1997).

Utilizacin calor residual, dado que se quiere disminuir el consumo de combustible

y tambin el consumo elctrico, se implementar algn sistema que recupere el


calor que se libera del motor y con l poder suplir los requerimientos de

calefaccin y agua caliente por ende implica una disminucin del consumo de

combustible y elctrico.

Superficie disponible, como se requiere utilizar algn tipo de ERNC se debe

maximizar el espacio que hay disponible ya que como se trata de un pontn

flotante existen ciertas limitantes a la hora de implementar algn sistema, ya sea

en la cubierta o techo.

Generar 71 kW/hr da, al evaluar la posibilidad de implementar alguna ERNC se

debe satisfacer de forma total o parcial el consumo normal del pontn de alrededor

de 71 kW/hr da.

Disminucin huella carbono ISO 14.064.

Eficiencia energtica en relacin a ISO 50.001 e ISO 14.000

Disminucin potencial riesgo (Comision Nacion Medio Ambiente , 2010)

Previa evaluacin de requerimientos por parte del profesor a cargo se pudo confeccionar

la matriz QFD

De la matriz QFD se aprecia que las especificaciones con mayor importancia son la

eficiencia energtica que es la base de este proyecto, que engloba directamente el

aprovechamiento del calor residual de los motores de combustin interna y en directa

relacin a la implementacin de un sistema de generacin electricidad para atenuar o

prescindir del uso de combustibles fsiles que conlleva con un puntaje alto en la

disminucin del riesgo que es netamente el transporte del combustible a los pontones en

archipilagos, golfos u otro lugar del mar sur austral de Chile.


6. Situacin actual de generacin de energa elctrica para los pontones

alimentadores de salmones

Actualmente, los pontones poseen un consumo aproximado de 106 kW de energa

elctrica, de los cuales 75,5 kW corresponden al sistema de alimentacin de salmones

(Blowers). Para alimentar el sistema completo de energa elctrica, se poseen 2

generadores disel de 176 kW y de 88 kW (utilizado slo de apoyo en caso de falla del

principal), este generador tiene un uso de 24 horas al da, de las cuales solo 4 horas al

da se utiliza a su potencia mxima y para el resto del da (20 horas) el generador slo

debe producir 29,94 kW de energa elctrica, tal como se muestra en la siguiente tabla 1.


Tabla 1: Demandas elctricas de Pontones alimentadores de salmones

Lo anteriormente descrito seala que se est dando un uso correcto del generador de

corriente elctrica solo durante 4 horas al da (esto equivale a un 16,67 % del da) y las

otras 20 horas (equivalente al 83,34 % del da) produciendo que el generador trabaje

alrededor del 20 % de capacidad, produciendo un alto consumo de combustible,

desaprovechando ese consumo y produciendo que el mismo motor (debido a las bajas

velocidades de giro del motor) conlleve a fallas del mismo. En la siguiente figura se

muestra el consumo de combustible para generadores grandes para distintos niveles de

generacin que en este caso corresponde a la Marca Cummins de 176 kW el cual da para

una generacin entre 0-30 kW, un consumo que va desde los 5-13 lt/hr de petrleo disel

que est siendo mal utilizado para el consumo de los habitantes de los pontones.


Figura 1: Consumo de combustible para distintos tipos de generadores

.

Con toda la informacin anteriormente descrita, se puede establecer un diagrama de

generacin elctrica de los pontones que se est utilizando actualmente en donde

adems existe una prdida de calor (Waste Heat o WH indicado en el diagrama) que no

es aprovechado por ningn consumo dentro del pontn, el cual contiene todas sus

sistemas de calefaccin y duchas con energa elctrica para as evitar peligros como

incendios, produciendo que el consumo del pontn se eleve bastante por el uso de estos

2 consumos.


Diagrama 1: Estructura actual de generacin elctrica de los pontones.

Actualmente, se est desarrollando un proyecto para lograr implementar un sistema que

logre disminuir esta ineficiencia del sistema actual, de disminuir las emisiones

contaminantes y adems otorgar economa a la industria en el tema del excesivo

consumo de combustible y de energa elctrica, se est desarrollando un proyecto de

implementacin de un sistema el cual lleva instalado otro generador disel pero de menor

capacidad, el cual sea de exclusivo uso para el consumo del pontn para as hacer

funcionar el generador principal ( que es mucho ms grande que este) slo las horas que

les corresponden generando un ahorro inmediato de combustible y a su vez incorporar un

sistema de recuperacin de calor que es emanado por estos motores para ayudar a

calentar el agua que surte a la calefaccin y a los termos elctricos para las duchas de los

habitantes del pontn.

A su vez, este proyecto tambin est desarrollando un sistema de generacin de energa

elctrica que funcione a base de energa renovable no convencional (ENRC) que sirve de

ayuda al sistema de alimentacin de los habitantes del pontn para ayudar de una forma

a disminuir an ms el uso de los generadores disel para este consumo, los tipos de

generacin de este tipo de energa que estn siendo tomados en cuenta son la solar y la

elica.


7. Generacin de alternativas

7.1 Aprovechamiento calor residual

Recuperar el calor en motores de combustin interna es una gran alternativa para

colaborar con el ahorro de energa primaria y reducir la emisin de gases. En un motor de

combustin interna la energa se distribuye bsicamente en energa convertida en trabajo

til, energa trmica disipada al medioambiente, en el circuito de refrigeracin (30%),

energa en gases de escape (25%) y un (1%) de perdida de transferencia calor motor con

el medio ambiente.

El calor que se recupera puede ser utilizado en cogeneracin es decir produccin

simultnea de energa y calor til. Puede tener varias aplicaciones entre ellas calefaccin

y produccin de agua caliente.

7.2 Recuperacin de energa en motor disel

Como se mencion anteriormente el balance de energa en un motor de combustin

interna es el siguiente, ver figura 2.

Figura 2: Balance energa motor combustin interna.


El balance de energa puede escribirse como eF W QG QC QA QP

En este proyecto se buscar aprovechar el calor transmitido al sistema de refrigeracin

(camisas) y el calor de los gases de escape, dado que ellos representan el mayor

porcentaje de calor desaprovechado.

7.2.1 Recuperacin de calor sistema de refrigeracin

El agua que circula por las camisas de enfriamiento del motor absorbe el calor producido

por la combustin, al utilizar un intercambiador de calor se puede recuperar alrededor del

16-35 % de energa trmica producida. Algunas de las formas de utilizacin son

Sistemas de agua caliente

Sistemas de agua presurizada

Sistema de agua caliente y vapor con caldera

Sistemas de agua en ebullicin

7.2.2 Recuperacin calor gases de escape

Una de las principales fuentes de recuperacin de calor son los gases de escape los

cuales contienen entre 22 y 35% de la energa del combustible a una temperatura entre

los 400-600C, estos se pueden utilizar en una caldera de recuperacin o en un

intercambiador de calor de flujo cruzado entre otros. Ver tabla 2.


Tabla 2: Resumen aplicacin y tipos de intercambiadores de calor

7.3. Motor disel Principal 176Kw (220kva)

Figura 3: Motor Cummins C220 D5


Ficha tcnica C220 D5

Ciclo de trabajo Diesel 4T

N cilindros Seis

Velocidad 1500 rpm

Dimetro cilindro 114mm

Carrera 135 mm

Relacin de compresin 16:1

Sistema combustible Inyeccin

directa

Potencia (Kw) 176

Tabla 3: Ficha tcnica C220 D5

Otros datos de relevancia

Temperatura gases escape 553C

Dosado relativo 0.8

Velocidad pistn 6.8 m/s

Flujo gases de salida 530 l/s

Tabla 4: dato motor C220 D5

7.3.1 Transferencia de calor en motor disel (176KW)

Dado que se generan 176 Kw que equivalen al 40% de la combustin completa del

combustible (F), se puede determinar el valor de F.

176440

0.4F Kw

Mediante F se estiman los dems valores para las diferentes situaciones

rQ Calor refrigerante que equivale al 30% de F.

132rQ Kw

aQ Calor aceite, equivalente al 4 %

17.6aQ Kw


pQ Calor perdido al exterior, equivale al 1%

4.4pQ Kw

GQ Calor en los gases de escape, equivalente al 25 %

110GQ Kw

7.4 Motor disel secundario 28kW (35kva)

Ficha tcnica C38 D5

Ciclo de trabajo Diesel 4T

N cilindros 4

Velocidad 1500 rpm

Dimetro cilindro 95mm

Carrera 115 mm

Relacin de compresin 18:1

Sistema combustible

Inyeccin directa

Potencia (Kw) 28


Otros datos de relevancia

Temperatura gases escape 448C

Dosado relativo 0.8

Velocidad pistn 5.8 m/s

Flujo gases de salida 5.4 m3/min


7.4.1 Transferencia de calor en motor diesel (28Kw)

Dado que se generan 28 Kw que equivalen al 40% de la combustin completa del

combustible (F), se puede determinar el valor de F.

2870

0.4F Kw



rQ Calor refrigerante que equivale al 30% de F.

21rQ Kw

aQ Calor aceite, equivalente al 4 %

2.8aQ Kw

pQ Calor perdido al exterior, equivale al 1%

0.7pQ Kw

GQ Calor en los gases de escape, equivalente al 25 %

17.5GQ Kw

7.5 Motor disel 88 Kw (110 kva)

La metodologa de obtencin del calor en cada elemento es anlogo a los clculos

anteriores, de esto se concluye que:

88220

0.4F Kw


66rQ Kw

8.8aQ Kw

2.2pQ Kw

55GQ Kw

7.6 Transferencia de calor hacia el refrigerante motor principal 176 Kw

A modo de comprobacin se har un anlisis detallado transferencia de calor hacia el

refrigerante, utilizando mtodos y formulas empricas para calcular el calor transmitido al

refrigerante.

La transferencia de calor se produce de la siguiente manera, ver figura 4.


Figura 4: Transferencia de calor hacia refrigerante

En donde qcv corresponde a la transferencia de calor con conveccin, qr la

transferencia por radiacin y qcn la transferencia por conduccin.

Del lado del gas se tiene que:

En donde gh se calcular mediante la ecuacin 1

La transferencia de calor por conduccin

Por parte del refrigerante se tiene el calor por conveccin


En donde rh se calcular mediante el mtodo propuesto por Taylor y Toong.

El coeficiente hg se obtiene a partir de la relacin entre los nmeros de Nusselt, Reynolds

y Prandtl Re Prb cNu a

El mtodo propuesto por G.Woschni se emplea para calcular hg.

Por lo tanto

cb

g p

pared pared

h L CvLa

k k

(1)

Que es equivalente ( 1)b b b b

g paredh ak v L

El calor convectivo hacia el refrigerante se calcula ( )r g r pQc h T T A

En donde:

gT : Temperatura gas.

rT : Temperatura refrigerante.

pA : rea pistn.

Aqu rh se calcula mediante

0.7510.4ReNu

0.75 0.75 0.25

0.7510.4 Re 10.4 ( )

g

m m p

g

kkgh C D

Dp

En donde:

kg : Conductividad trmica gas.

g : Viscosidad absoluta gas.

mC : Velocidad media del pistn.

Dp: Dimetro pistn.


Los valores caractersticos para la ecuacin Taylor y Toong se obtienen del grafico

Diagrama 2: Los valores caractersticos para la ecuacin Taylor y Toong

A modo de ejemplo se calcula el calor por conveccin de forma emprica utilizando datos

de referencia de un motor disel.

Se tiene un motor disel turboalimentado con intercooler, su cilindrada son Vd= 8.3 lt,

Este motor es capaz de proporcionar 172 kW a 1500 rpm, Dp= 114mm, L = 135 mm. El

motor funciona con un dosado relativo de 0,7, la presin a la salida del compresor es de

1,7 bar, el rendimiento isentrpico del compresor es 0,75, el rendimiento del intercooler es

0,85, la temperatura media del refrigerante es de 95 C, si Tamb = 20 Cy Pamb = 1 bar.


El motor tiene 6 cilindros en lnea.

Para un FR= 0,7se hace de la figura de Taylor y Toong, Ver anexo.

5

2

600

3 10

4.5 10

( ' )

g

g

c g g ref

T K

Pa S

WK

mK

Qc z A h T T

20.1146 13757 (600 368) 195

4Qc kW

Por lo tanto el calor por conveccin hacia el refrigerante corresponde aproximadamente a

un 44 % de F.

Para el detalle de los clculos ver anexo

7.7 Alternativas para la produccin de agua sanitaria.

Segn requerimiento del encargado del proyecto se debe considerar el consumo

domiciliario de 8 personas y cada persona se debe considerar como consumo 50 litros de

agua sanitaria a 45 C por da.

Los gases de escape de un motor salen a una temperatura que puede estar entre los

400 y los 500C, este calor liberado puede ser captado de los gases de escape, mediante

el uso de una caldera de recuperacin hasta una temperatura de 150-170 C.

El limitante principal a esta temperatura es la temperatura de roco de los gases. Los

motores disel se pueden emplear en sistemas de cogeneracin donde la relacin de la

salida trmica til y la salida elctrica (relacin electricidad / calor) sea alta. La

temperatura alta de los gases de combustin del motor se usa en una caldera de


recuperacin de calor para la generacin de vapor. As mismo, el agua de enfriamiento

del motor sirve para precalentar el agua de alimentacin de la caldera.

Los sistemas de cogeneracin con mquinas diesel se han desarrollado en los ltimos

aos con el propsito de reducir costos y reducir las emisiones contaminantes y de ruido.

La emisin de los xidos de azufre se ha reducido con el mejoramiento de los

combustibles, no obstante, la generacin de los xidos de nitrgeno, sigue siendo el

problema.

7.7.1 Alternativa caldera de recuperacin gases de escape

Generadores de agua caliente de tubos de humo diseados para temperaturas de agua

de hasta 120C ver figura 5, economizadores de gases de escape estn completamente

soldados y una presin mxima de trabajo de 3 bares. La temperatura del agua se

controla automticamente mediante una vlvula de diseo especial, que desva el flujo de

gas a travs de una derivacin cuando la temperatura alcanza el nivel preestablecido.

Esto significa que slo una parte del flujo de gas de escape se utiliza, dependiendo de la

demanda. Esto reduce el tamao fsico de la caldera, lo que los requisitos que deben

cumplir de manera ptima (ulmatec).

Figura 5: Caldera de recuperacin de gases de escape


7.7.2 Alternativa depsitos de vaporizacin instantnea

La transferencia de calor entre los gases y los lquidos en un intercambiador de calor

normal no es muy buena, lo que requiere un gran intercambiador de calor con el fin de

obtener una zona de intercambio de calor suficientemente grande. Por otra parte, el flujo

de resistencia en el sistema de escape debe ser tan bajo como sea posible. La necesidad

de un flujo de baja resistencia y de una zona de intercambio de calor grande, con estos

datos se decide utilizar un depsito de vaporizacin instantnea, en la que el agua y los

gases de escape se ponen en contacto muy intensiva-calor (pulverizacin en gotitas finas)

uno con el otro ver figura 6. Por lo tanto el agua calentada se recoge en la parte inferior

del tanque y a travs de una bomba alimentada a los serpentines de calentamiento de los

boiler. Como un poco de agua se evaporar en el tanque de expansin, una vlvula de

nivel se aplica, para la recarga con agua fresca. El volumen del agua en la parte inferior

del tanque de expansin puede tener cualquier valor deseado; cuanto mayor sea ms

estable es la temperatura del agua (reservorio de calor). Si es lo suficientemente grande,

puede incluso servir a los tanques de proceso durante un tiempo determinado en el que el

motor diesel se detiene para el mantenimiento / reparacin (draaisma).

Figura 6: Depsito de vaporizacin instantnea


7.7.3 Alternativa motores que traen incorporado los sistemas recuperacin de calor

residual

Por otro lado se produce conjuntamente la generacin de energa trmica til, proveniente

principalmente de los gases de escape, a unos 500C, que usualmente se utilizan para la

produccin de vapor de agua en una caldera. Existe una segunda fuente de energa en

forma de agua caliente, a unos 90C, proveniente del circuito de refrigeracin del motor

ver figura 7, esto es de las camisas y del cuerpo del motor donde se est produciendo la

combustin. Esta energa trmica es fcilmente utilizable en la mayora de los procesos

productivos, generando unos ahorros en los costes de produccin de ste calor frente a

los de la generacin usual, quemadores, hornos, compresores, etc. Se puede llegar a una

eficiencia global del 80%, (40% de la generacin elctrica y de un 40% del

aprovechamiento del calor (ecoenergia-sa).

Figura 7: Motor con sistema de cogeneracin

8. Implementacin ERNC

8.1 Generacin elica

La generacin de energa elctrica mediante las corrientes de aire, es una forma

limpia y gratuita de generar energa. Esta energa se puede aprovechar gracias al uso de

mquinas elicas que son capaces de transformar la energa del viento mediante un

aerogenerador que se compone de un generador con aspas conectados entre s con un

rotor, que al girar este mismo gracias a la accin del viento, es capaz de generar energa

elctrica que mediante sus sistemas de conexin y control, pueden ser consumidos.


Figura 8: Partes internas de un aerogenerador

Figura 9: Aerogenerador pequeo para uso en hogares.

La generacin de energa elica es gracias a la energa del viento, (Elico proviene del

Griego Eolo que es el Dios de los vientos), la cual est relacionada con el movimiento de

las masas de aire que se desplazan de reas de alta presin atmosfrica hacia reas

adyacentes de baja presin, con velocidades proporcionales al gradiente de presin.

Los vientos son generados a causa del calentamiento no uniforme de la superficie

terrestre por parte de la radiacin solar, entre el 1 y 2 % de la energa proveniente del sol

se convierte en viento. De da, las masas de aire sobre los ocanos, los mares y los lagos

se mantienen fras con relacin a las reas vecinas situadas sobre las masas


continentales. Los continentes absorben una menor cantidad de luz solar, por lo tanto el

aire que se encuentra sobre la tierra se expande, y se hace por lo tanto ms liviana y se

eleva. El aire ms fro y ms pesado que proviene de los mares, ocanos y grandes lagos

se pone en movimiento para ocupar el lugar dejado por el aire caliente.

Para lograr tener un buen aprovechamiento de la energa elica, se debe tener pleno

conocimiento de las velocidades del viento respecto a la altura a nivel de suelo, como as

tambin de las fluctuaciones estacionales, ya que los aerogeneradores requieren de un

mnimo de velocidad del viento para lograr generar energa elctrica (normalmente

llamado cut-in speed que los fabricantes los estiman entre los 2 y 4 m/s), como as

tambin las distintas velocidades que se generan anualmente para estimar la cantidad

mnima y mxima de energa que podran producir.

8.1.1 Ventajas de la utilizacin de la energa elica

Entre las principales ventajas de la generacin de energa elica, se pueden encontrar las

siguientes:

Es una energa limpia ya que no produce emisiones atmosfricas ni residuos

contaminantes.

No requiere una combustin que produzca dixido de carbono, por lo que no

contribuye al incremento del efecto invernadero ni al cambio climtico.

Puede instalarse en espacios no aptos para otros fines, por ejemplo en zonas

desrticas, prximas a la costa, en laderas ridas entre otros

Puede convivir con otros usos del suelo, por ejemplo suelos frtiles de la agricultura.

Su inclusin en un sistema integrado permite, cuando las condiciones del viento son

adecuadas, ahorrar combustible en las centrales trmicas y/o otras centrales que

utilicen combustible fsil para la generacin de energa.

Su utilizacin combinada con otros tipos de energa, habitualmente la energa solar

fotovoltaica, permite la auto alimentacin de viviendas.


8.1.2 Desventajas de la utilizacin de la energa elica

Ms que desventajas, son los efectos que generan la instalacin de aerogeneradores, las

cuales son:

Debido a que el humano no puede controlar la variable viento, este sistema no es

autosuficiente y hasta el da de hoy debe estar complementado a una generacin de

energa que no podra ser limpia (pequea central trmica, generador a disel) para

suplir las bajas de tensin producidas por una baja en las corrientes de vientos.

La construccin de un parque elico conlleva a la posibilidad de daar el paisaje

debido a los aerogeneradores y lneas de tensin que deben transportar la energa

generada.

La instalacin de aerogeneradores elicos podra afectar en las aves que estn en el

sector o migratorias que podran verse afectados al golpearse en las aspas del

aerogenerador ocasionndoles la muerte.

El ruido generado por el movimiento del aerogenerador puede ser nocivo para la

salud.

En este proyecto se pueden tomar como ventajas la disminucin de emisin de

contaminantes, puesto que los pontones se abastecen de energa elctrica slo por

generadores acoplados a un motor disel, a su vez estos son instalados en lugares en

donde no se afectara el suelo bajo ninguna circunstancia, ya que van montadas sobre

estructuras flotantes y esto hace que cada aerogenerador sea de exclusivo uso del

pontn, por lo que no existira el problema de establecer lneas de alta o baja tensin que

pudiesen afectar el paisaje de la zona. Variables a analizar en el tema de los efectos

negativos que se produciran por la instalacin de estos generadores elicos seran el

posible impacto en las aves de la zona que podran morir al accidentarse con los

aerogeneradores y el ruido que podra ser nocivo para la salud de los ocupantes del

pontn. Estos puntos se analizarn en profundidad ms adelante en el informe.

8.1.3 Velocidades de viento en zona de estudio

La zona en donde se realizarn los estudios de vientos, ser en el archipilago de las

Guaitecas en la regin de Aysn, esto es debido a la gran cantidad de centros de crianza

de salmones y por supuesto de pontones. Las coordenadas del lugar de estudio son

Latitud 43,91 S y Longitud 73,81 O y se muestran a continuacin en la siguiente figura.


Figura 10: Ubicacin del lugar de estudio de los vientos.

Para realizar el estudio de las velocidades de viento, se utiliz una herramienta que fue

realizada por la Universidad de Chile y el Ministerio de Energa de Chile adems con

apoyo del GIZ (Deutsche Gesellschaft fr Internatitionale Zusammenarbeit o Sociedad

Alemana de corporacin internacional), denominado Explorador Elico, que entrega

resultados numricos de una simulacin de las condiciones de viento de un lugar en

particular. Estas simulaciones fueron realizadas por el modelo WRF (Weather Research

and Forecasting), un modelo avanzado, ampliamente utilizado para analizar el recurso

elico en el mundo.

Para este estudio, se realizaron estudios de velocidad de viento a alturas de 5,5, 15, 25,

35 46 y 56 metros de altura puesto que a ms altura existe una probabilidad de que la

instalacin de una torre de mayor a 60 metros de altura, produzca fallas en el anclaje

pontn-torre, como a su vez la dificultad de instalar una estructura de esas medidas a los

pontones que actualmente se encuentran operativos en las aguas. Tomando las

consideraciones anteriormente descritas, los datos de velocidad del viento (en m/s) son

un promedio diario anual de velocidades mnimas, mximas y medias que se ven

reflejadas en la siguiente tabla:


Velocidad (m/s)

Altitud Media diaria

Mxima diaria

Mnima diaria

5,5 2,7 4,8 1

15 4,1 6,9 1,6

25 4,9 8 2

35 5,4 8,8 2,4

46 5,8 9,2 2,6

56 6,2 9,9 2,9

Tabla 7: Velocidades del viento a diferentes alturas

Se puede apreciar que a los 25 metros de altura, se produce un aumento considerable de

la velocidad mxima y a medida que se aumenta en altura, las velocidades del viento

aumentan pero no es un aumento se considere excesivo por el tema de instalar una torre

de gran altura que pueda generar problemas en el pontn y de sus dificultades de

instalacin, por lo que se decidi con conversaciones con el cliente de mantener la altura

de estudio en 25 metros de altura ya que se consider que las velocidades mnima y

media ya sern suficientes para generar energa elctrica.

8.1.4 Seleccin de aerogenerador.

Al obtener los datos de velocidades del viento en el sector de estudio, se procedi a

establecer la capacidad de generacin elctrica de diversos equipos de aerogeneradores,

ya que esta herramienta de estudio otorga esta opcin de establecer la capacidad de

generacin elica de una seria de aerogeneradores, para ello, se seleccionaron 4 distintos

aerogeneradores de potencias similares a la requerida por el cliente (5 kW) que adems 2

de los cuales poseen representacin en Chile. De estas mediciones se obtuvieron los

resultados mostrados en la siguiente tabla.


Tabla 8: Generaciones mximas, medias y mnimas de energa elctrica de aerogeneradores.

Cabe sealar, que los resultados anteriormente mostrados equivalen a promedios diarios

anuales, esto es, que los resultados puestos en la tabla pueden ser mayores al mximo y

menores al mnimo, llegando a una ausencia de viento en ciertos periodos de tiempo, esto

se analizar ms adelante. Se puede apreciar que los aerogeneradores Bergey modelos

Excel-R y Excel-S de capacidad mxima de generacin elctrica de 7,5 y 10 kW

respectivamente, son las que ms se acercan a los requerimientos de generacin de los

pontones, de estos dos, por tener el dimetro de rotor idntico, por poseer representacin

en Chile de la marca, por poseer una reducida superficie de instalacin de

aerogeneradores (solamente se podra instalar 1 aerogenerador por pontn)y con

conversaciones con el cliente, se decidi por seleccionar el aerogenerador marca Bergey

modelo Excel-S de 10 kW de potencia mxima de generacin

8.1.5 Anlisis de aerogenerador Bergey Excel-S 10kW

Para comenzar se pondrn a disposicin las especificaciones tcnicas del aerogenerador

en cuestin, las cuales se encuentran en la siguiente tabla 9.

Potencia medida de referencia 10 kW

Potencia medida por AWEA 8,2 Kw A 11,17 m/s

Ruido medido por AWEA 54,7 dBA

Velocidad mnima de trabajo 2,23 m/s

Vida operativa 30-50 aos

Dimetro del rotor 6,7 m

AWEA: American Wind Energy Association

Tabla 9: Especificaciones tcnicas de aerogenerador seleccionado

.

Capacidad generadora Aerogeneradores

Marca Dimetro rotor (m)

Altura de medicin (m)

Potencia mxima (kW)

Potencia media (kW)

Potencia mnima (kW)

Proven 6 kW 5,5 25 2,8-3,2 1,1-1,3 0,2

Bergey Excel-R 7,5

kW

6,7 25 3,6-4 1,4-1,6 0,2

Evance R 9000 5 kW

5,4 25 2,4-2,6 0,9-1,1 0,1

Bergey Excel-S 10

kW

6,7 25 4,1-4,4 1,5-1,7 0,2


Figura 11: Aerogenerador Bergey Excel-S.

Para estimar la cantidad de energa que podra generar en la zona de estudio, se utiliz

tambin el Explorador elico mencionado anteriormente, el cual tom las mediciones a 25

metros de altura como se mencion anteriormente, arroj los siguientes resultados:

Tabla 10: Generacin promedio diario por mes con su mnimo, mximo y su promedio.


Mediante estos resultados, se puede ver que la potencia mnima producida por el

aerogenerador son muy bajas, llegando a promedios diarios de 0 kW en el mes de Marzo,

esto arroja un resultado muy desfavorable a la hora de seleccionar este tipo de energa

renovable no convencional puesto que llevara a utilizar en periodos la generacin de

energa por combustible disel; esto se volvi a analizar obteniendo datos de generacin

elctrica del aerogenerador para el mes de Marzo estableciendo que los das de menor

generacin elctrica los cuales se agrupan en la siguiente tabla y a su vez en la grfica a

continuacin.

Tabla 11: Generacin de energa elctrica en los das ms bajos de Marzo de 2010 (en kWh).

Hora 05-mar 06-mar 08-mar 09-mar 15-mar 16-mar 17-mar

0:00 0,03 0,00 0,86 0,00 0,95 0,00 0,88

1:00 0,00 0,00 0,37 0,00 0,02 0,00 0,58

2:00 0,00 0,00 0,69 0,04 0,04 0,00 0,55

3:00 0,01 0,04 0,91 0,00 0,03 0,14 0,63

4:00 0,08 0,00 0,41 0,03 0,00 0,00 0,08

5:00 0,28 0,01 0,00 0,04 0,00 0,03 0,00

6:00 0,07 0,24 0,05 0,05 0,20 0,15 0,00

7:00 0,00 0,13 0,00 0,11 0,61 0,00 0,00

8:00 0,00 0,28 0,00 0,33 0,92 0,00 0,00

9:00 0,11 0,50 0,04 0,13 1,51 0,00 0,00

10:00 0,24 0,10 0,00 0,08 0,09 0,00 0,00

11:00 0,16 0,36 0,00 0,90 0,05 0,05 0,00

12:00 0,00 0,21 0,01 0,43 0,30 0,00 0,01

13:00 0,00 0,06 0,21 0,14 0,02 0,00 0,13

14:00 0,03 0,28 0,00 0,91 0,25 0,09 0,00

15:00 0,11 0,11 0,04 0,40 0,00 0,16 0,09

16:00 0,07 0,06 0,49 0,38 0,09 0,10 0,04

17:00 0,73 0,00 0,44 0,17 0,08 0,15 0,20

18:00 0,25 0,00 0,41 0,01 0,19 0,03 0,38

19:00 0,15 0,00 0,03 0,00 0,00 0,00 0,23

20:00 0,46 0,00 0,02 0,10 0,00 0,27 0,96

21:00 0,16 0,00 0,00 0,21 0,00 0,60 0,79

22:00 0,10 0,00 0,05 0,56 0,03 0,69 0,15

23:00 0,00 0,13 0,00 1,13 0,01 0,52 0,90

TOTALES 3,04 2,53 5,02 6,12 5,38 2,98 6,60


Figura 12: Grfica con los menores das de potencia generada en Marzo de 2010.

De lo visto en la tabla se observa que el da que menos energa generar el

aerogenerador es el 6 de Marzo que corresponde a 2,53 kWh al da mejorando los datos

mnimo diario entregado en la tabla con los promedios diarios mensuales.

Ahora gracias a los datos aportados se obtienen las curvas medias de potencia del

aerogenerador que contribuyen a entregar la informacin ms clara acerca de la

generacin de potencia durante un periodo anual los cuales arrojan niveles bajos en los

meses de Marzo y Septiembre y un aumento lineal desde Mayo hasta el peak en el mes

de Junio, bajando en Julio y mantenindose estable entre los meses de Octubre a Enero.

En la siguiente figura, se observan con mayor claridad los datos.


Figura 13: Ciclos medios de potencia de aerogenerador Bergey Excel-S segn mes del ao.

Adems, se obtienen los ciclos medios de generacin de potencia por hora del da. Aqu

se observa que la generacin de potencia se genera de manera constante durante el da,

llegando a sus niveles mximos de generacin entre las 12:00 y las 17:00 hrs. En la

siguiente figura se aprecian los datos agrupados.

Figura 14: Ciclos medios de potencia de aerogenerador Bergey Excel-S segn hora del da.

En las siguientes figuras que se mostrarn a continuacin, se observa una serie de tiempo

para 4 meses del ao 2010 en donde se observan la generacin de energa elctrica


diarios en los meses de Abril, Julio, Octubre y Enero respectivamente. Aqu se ve una

buena generacin en los meses de Enero y Julio llegando en algunos das hasta los 10

kW de potencia y una generacin ms baja en los meses de primavera y otoo, por lo que

se puede concluir que la generacin de energa es constante en el sentido de que existe

un viento constante pero que es fluctuante en su capacidad de generacin.


Figura 15: Serie de potencia de aerogenerador Bergey Excel-S, la lnea roja son los promedios diarios

8.1.6 Emplazamiento del aerogenerador en el pontn.

Anteriormente se mencion que solo podra ser instalado 1 aerogenerador por pontn,

puesto que los lugares en donde podra ser emplazado, tienen existen pocas superficies

libres y que puedan soportar el aerogenerador, su estructura y el empuje que generara el

viento al mover las aspas, por tanto en la siguiente imagen se muestra un pontn tipo ( los

pontones en s prcticamente no varan ni en dimensiones, ni en diseo de su estructura)

identificando los posibles lugares de instalacin del aerogenerador los cuales tienen una

superficie de 10x5 m2 . En la siguiente figura se observan con mayor claridad estas

superficies libres.


Figura 16: Superficies libres del pontn para el posible emplazamiento del aerogenerador (enmarcado en amarillo).

8.2 Generacin solar o energa solar fotovoltaica

La energa solar fotovoltaica es un tipo de energa renovable no convencional (ENRC),

que en su proceso de generacin de energa, no genera residuos contaminantes por lo

que se considera una energa limpia y amigable con el medioambiente, este tipo de ENRC

ha tenido un crecimiento considerado en los ltimos aos a nivel mundial, debido a una

baja sostenible de sus costos de instalacin. El principio de funcionamiento de esta

energa, que bsicamente se obtiene de la radiacin solar, es capturado por paneles

solares los cuales transforman la energa en electricidad, en forma de corriente continua,

la cual posteriormente es transformada a corriente alterna por medio de inversores y

adaptada en trminos de voltaje por transformadores, que finalmente se conectan a la red

elctrica.


Figura 17: Panel fotovoltaico.

Un sistema tpico de generacin fotovoltaica (ya sea a pequea o a gran escala) se

conforma de 4 elementos que se aprecian en la siguiente figura, los cuales son

1. Generador Solar: Conjunto de paneles fotovoltaicos que captan energa luminosa

y la transforman en corriente continua a baja tensin.

2. Acumulador: Almacena la energa producida por el generador.

3. Regulador de carga: Su funcin es evitar sobrecargas o descargas excesivas al

acumulador, puesto que los daos podran ser irreversibles. Debe asegurar que el

sistema trabaje siempre en el punto de mxima eficacia.

4. Inversor: Se encarga de transformar la corriente continua producida por el campo

fotovoltaico en corriente alterna, la cual alimentar directamente a los usuarios.


Figura 18: Esquema bsico de una instalacin fotovoltaica.

8.2.1 Tipos de paneles fotovoltaicos

Para efectos de este proyecto, se considerarn dos tipos de paneles fotovoltaicos, los

cuales son los ms comunes en el mercado actual, que son los paneles solares de

silicio. Estos se dividen en tres tipos descritos a continuacin:

Placas de silicio monocristalino: se obtienen a partir de barras cilndricas de silicio

Monocristalino producidas en hornos especiales. Las celdas se obtienen por

cortado de las barras en forma de obleas cuadradas delgadas (0,4-0,5 mm de

espesor). Su eficiencia en conversin de luz solar en electricidad es superior al

12%. Son por lo tanto, los ms caros pero los ms efectivos.


Figura 19: Placa fotovoltaica monocristalina.

Placas de silicio policristalino: Estas clulas se obtienen a partir de bloques de

silicio resultado de la fusin de trozos de silicio puro en moldes especiales. En los

moldes, el silicio se enfra lentamente, solidificndose. En este proceso, los

tomos no se organizan en un nico cristal. Se forma una estructura policristalina

con superficies de separacin entre los cristales. Su eficiencia en conversin de

luz solar en electricidad es algo menor a las de silicio Monocristalino.

Figura 20: Placa fotovoltaica policristalina.


Se sabe que la eficiencia de los paneles fotovoltaicos esta entre el 14-16 % los

policristalinos y de un 17-20% para los monocristalinos, esto es que del total de la

irradiacin solar solo se aprovechar el porcentaje anteriormente descrito para la

generacin de energa elctrica y como tope de potencia generada entre 50 a 250

W como tope, dependiendo de cada fabricante y del tamao del panel.

8.2.2 Ventajas de la utilizacin de la energa fotovoltaica

Entre las principales ventajas de utilizar paneles fotovoltaicos en la generacin de energa

elctrica, estn las siguientes:

Aportan energa limpia, ecolgica.

Al estar hablando de la energa solar se afirma que es una fuente inagotable.

Permiten a los usuarios independizarse del suministro elctrico.

Es posible generar electricidad en viviendas a las que no llega el suministro

elctrico, de forma silenciosa y sin residuos.

Las instalaciones fotovoltaicas se colocan de forma rpida y su mantenimiento es

prcticamente inexistente.

Son muy duraderas; los paneles pueden llegar a durar ms de treinta aos.

El coste disminuye a medida que la tecnologa va avanzando.

8.2.3 Desventajas de la utilizacin de la energa fotovoltaica

Inicialmente requiere una fuerte inversin inicial, que muchos no arriesgan a

realizarlo.

Se debe complementar este mtodo de convertir energa con otros.

Los paneles que son instalados en viviendas, normalmente son instaladas en los

tejados de estas, por lo que se puede considerar que afecte a la esttica de la

misma.

El nivel de radiacin de esta energa flucta de una zona a otra, y lo mismo ocurre

entre una estacin del ao y otra, lo que puede ocasionar tiempos de mucha

generacin elctrica y tiempos en donde la generacin sea baja o nula. Adems

que slo se aprovecha durante el da, ya que en la noche no hay sol, por ende no

hay generacin de energa.

Cuando se decide utilizar la energa solar para una parte importante de la

poblacin, se necesitan grandes extensiones de terreno, lo que dificulta que se

escoja este tipo de energa.


Los lugares donde hay mayor radiacin, son lugares desrticos y alejados,

(energa que no se aprovecha para desarrollar actividad agrcola o industrial,

etc).

En el proyecto a realizar, se pueden tomar como las ventajas ms directas de la

utilizacin de la energa el aporte de una energa limpia que no genera contaminantes en

la etapa de transformacin de energa solar a elctrica como a su vez ayuda a que exista

una disminucin del uso de los generadores a petrleo disel del pontn, adems la

generacin de electricidad con este mtodo es imperceptible ya que no genera ruidos y

su instalacin es sencilla como su mantencin es prcticamente innecesaria. Entre las

desventajas que se pueden encontrar, es el costo un poco elevado a la hora de realizar la

inversin inicial en la implementacin del sistema por lo que puede generar cierto rechazo

en el inversionista, otro punto de gran importancia es que la irradiacin solar no es

constante y por ende se generarn periodos de generacin de energa muy elevados y

nulos, por lo que siempre se recomienda el uso de una generacin de energa de apoyo a

este y esto se complementa con el reducido espacio en donde se podran instalar los

paneles fotovoltaicos.

8.2.4 Irradiacin solar en la zona de estudio

La zona de estudio de la irradiacin solar ser la misma que se utiliz en la etapa elica

de este proyecto y se utilizar la misma herramienta denominada Explorador Solar, el cual

entrega datos de irradiancia solar que han sido acumulados desde el ao 2003 hasta el

2012 en donde entrega promedios diarios mensuales por cada ao as como datos

especficos por cada da del periodo anteriormente descrito.

Para el lugar de estudio se tiene un promedio diario anual (mostrado en kWh/m2 da) que

se puede apreciar en la siguiente tabla 12.


Ao kWh/m2 da

2003 3,06

2004 3,15

2005 3,34

2006 3,06

2007 3,33

2008 3,5

2009 3,12

2010 3,03

2011 3,29

2012 3,2

Promedio 3,208

Tabla 12: Promedio diario anual de irradiacin solar.

A su vez la irradiacin solar promedio diario por mes a lo largo del periodo 2003-2012, en

la que se puede observar una irradiacin alta durante los meses de verano (Diciembre a

Febrero) y una paulatina disminucin en los meses continuos desde Marzo, llegando a un

mnimo en el mes de Junio y subiendo en desde Julio en adelante. En la siguiente tabla

se observan los datos obtenidos.

Tabla 13: Promedio mensual de la energa sumada en todas las horas al da (kWh/m2 da).


Como se observ en la tabla anterior el mes de menor irradiacin corresponde a Junio,

por lo que se quiso observar si existan diferencias significativas al analizar un ao u otro

en particular y tras esto ver la irradiacin mnima que se traduce en una generacin

mnima de energa elctrica.

8.2.5 Anlisis de irradiacin solar de mes de Junio de 2003 y Junio 2012

Mediante este anlisis se pretende comprobar, si existe alguna diferencia significativa

entre el mes ms bajo de irridancia de los aos 2003 y 2012, para as simplificar los

resultados obtenidos. Para ello con la ayuda de la herramienta Explorador solar, la cual

entrega valores cada media hora de cada da de la irridancia en el lugar de estudio, se

aislaron estos dos meses de los cuales se obtuvieron sus curvas diarias para todos los

das, a su vez se obtuvieron los 5 das de irridancia ms baja y as establecer la

generacin mnima de energa que se pudiese obtener en el ao. Las siguientes figuras

demuestran los datos agrupados en sus respectivas grficas.

Figura 21: Grfica de irradiacin solar mensual de Junio 2003 (en W/m2).


Figura 22: Grfica de irradiacin solar mensual de Junio 2012 (en W/m2)

Al observar las grficas con detencin, se aprecia que ambas son muy similares dentro de

los rangos en donde existe irradiacin que en este caso se produce entre las 8:30 y las

17:30 horas, debido a que es invierno y por ende amanece y oscurece ms temprano,

obteniendo curvas que no representan diferencias significativas al comparar entre meses

del mismo ao, por ende se concluye que no han existido variaciones significativas del

clima en una comparativa de dos meses con una diferencia de 8 aos entre s, por lo que

se procede a utilizar el ao 2012 como referencia para estimar la capacidad de

generacin de energa elctrica de los pontones de la regin de Aysn. En el mes de

Junio del 2012, se seleccionaron los 5 das de menor irradiacin solar los cuales se

aglomeran en la siguiente tabla

1. Mejoramiento eficiencia energtica pontones alimentadores Pgina 51

Da 02-jun 09-jun 11-jun 26-jun 28-jun

Irradiacin (Wh/m2) 626,8 636 593,85 549 568,1

Tabla 14 : Irradiacin ms baja del mes de Junio de 2012.

Con esto se obtiene que los menores valores de irradiacin anuales se obtendrn de la

magnitud de 540 a 640 Wh/m2, esto hay que agregarle de que los paneles tienen una

eficiencia de entre un 15 a un 20 %, por tanto de esa irridancia solo se generaran unos

94,5 a 112 Wh/m2 lo que alcanzara a prender 1 ampolleta por m2 en los meses de

invierno.

8.2.6 Superficie actual disponible para paneles fotovoltaicos.

Los paneles a utilizar para este proyecto son de marca CSUN modelo 250-60P que

poseen una eficiencia de un 15,4 % y una potencia mxima de entrega de 250 W.

Figura 23 Dimensin del panel seleccionado


Se obtuvieron las superficies de los techos de las casas de 3 distintos pontones, los

cuales arrojaron superficies prcticamente iguales, las cuales se presentan en la siguiente

tabla.

Pontn rea del techo

Salmones Friosur VIII 144,1 m2

Samones Friosur VI 137,67 m2

Salmones Friosur IV 137,67 m2

Tabla 15: Superficie del techo de 3 Pontones construidos por el fabricante Sitecna.

Aqu se puede observar los techos tienen superficies similares de techos, pero como se

observa en la siguiente imagen, los pontones tienen techos que podran afectar el

rendimiento de la instalacin de paneles solares ya que son techos de forma irregular que

pueden causar sombras a ciertas horas del da y lo que se espera es tener una mximo

aprovechamiento de los paneles y adems se hace muy difcil establecer las capacidades

de generacin elctrica como en forma general para los pontones de esta regin de

estudio, ya que existen distintos diseos de pontones y por ende con diseos de techos

distintos.

Figura 24: Disposicin de los techos de un Pontn.


8.3 Consumo de energa elctrica diaria actual

Para poder estimar si la generacin de energa elctrica mediante alguno de estos 2 tipos

de ERNC anteriormente descritos como tambin la cantidad de bateras que debern

instalarse para el almacenamiento de esta energa generada, se debe tener la informacin

del consumo de energa elctrica diaria del pontn, que corresponde a la energa

requerida por la casa de los pontones en promedio, para realizar las estimaciones. Estos

datos fueron obtenidos directamente de mediciones generadas en 1 pontn especfico,

pero con la informacin proporcionada, estos datos son los mismos para aplicar a todos

los pontones instalados en esta zona. Cabe sealar que esta medicin se tom en base

de 24 horas a da, se eliminaron todos los consumos superiores a 5 kW, ya que estos no

corresponden al uso de la casa, ya que son los mayores a esta magnitud estn

relacionados con el uso de los alimentadores de salmones (Blowers) y de calibraciones de

los mismos. Los datos se encuentran agrupados en la siguiente tabla.

Tabla 16: Consumo diario promedio de la casa del pontn (en kWh).

Hora Consumo kWh Hora Consumo kWh

6:29:00 0 17:33:00 0,49

6:30:00 0,01 17:34:00 1

6:40:00 0,09 17:35:00 1,04

8:30:00 5,92 17:36:00 0,9

9:30:00 2,54 17:37:00 0,8

11:30:00 2,03 18:00:00 0,46

11:35:00 0,67 18:01:00 0,65

11:40:00 0,41 18:03:00 0,43

11:42:00 0,95 18:04:00 0,29

11:43:00 0,84 18:05:00 0,27

12:19:00 9,08 18:06:00 0,45

12:20:00 0,41 18:08:00 3,51

12:30:00 3,85 18:30:00 5,97

13:30:00 3,75 18:39:00 1,96

14:30:00 5,17 18:40:00 0,51

15:30:00 2,44 18:54:00 0,6

15:47:00 1,34 18:56:00 1,96

15:50:00 2,03 20:30:00 3,13

15:51:00 1,36 23:30:00 2,63

17:33:00 1,22 23:59:00 0

TOTAL 71,16


Se puede observar que el consumo es de 71,16 kWh diarios, lo cual si uno lo compara

con un consumo promedio de una casa con 5 personas es de alrededor de 200 kWh

mensuales, esto se debe a que los habitantes del pontn son normalmente 10 personas y

adems todos los artefactos y sistemas de la casa funcionan con energa elctrica, esto

es, cocina, sistema de calefaccin elctrica, sistema de calentamiento de agua para

duchas elctrico, lo que normalmente en una casa se podra suplir con sistemas a gas,

petrleo o lea. Por lo tanto este es la cantidad de energa elctrica que estos sistemas

de ERNC deben generar para suplir la demanda energtica de la seccin casa del

pontn.

8.4 Conclusiones

Logrando agrupar todos los datos anteriormente de la generacin diaria mediante la

energa elica, solar por separado y del consumo diario del pontn se puede concluir lo

siguiente:

La generacin de energa elica en su punto ms bajo de generacin (que

corresponde a 2,53 kWh al da en el mes de marzo) es insuficiente para lograr una

independencia del sistema disel de generacin de energa elctrica.

La generacin de energa solar mediante placas fotovoltaicas en su punto ms

bajo de irradiacin solar (que corresponde a 549 Wh/m2 da en el mes de Junio),

esto se debe multiplicar por la eficiencia de los paneles solares se obtiene una

generacin de energa de 96.07 Wh por panel al da y con la superficie de techo

de los pontones (140 m2) y la superficie de un panel solar (1,6 m2) se obtendra

una generacin total de 8,4 kWh al da, tampoco es suficiente para lograr una

independencia del sistema de generacin disel.

Se sabe, que por los datos arrojados por el Explorador Elico y Solar, que en el

periodo de menor irridancia solar, existen las mejores velocidades de viento esto

es por estar en invierno y en verano, cuando las velocidades del viento tienden a

ser un poco ms bajas llegando a un mnimo en Marzo, la irridancia solar se

encuentra en su nivel ms alto de todo el ao por lo que la generacin fotovoltaica

se encentra en su mxima generacin en la zona de Aysn; se recomienda

establecer un sistema de cogeneracin de energas renovables no convencionales

(ENRC) mediante generacin elica y fotovoltaica, ya que se vio que por s sola


cada una de estas no es capaz de generar energa elctrica para suplir el

consumo energtico del pontn. Cabe sealar, que esta etapa del informe se

desarroll slo un anlisis tcnico de la generacin de energa mediante ENRC

para observar en primera instancia si era posible, mediante los recursos solares y

elicos presentes en la zona de estudio, implementar estos sistemas en los

pontones instalados en la regin de Aysn. Ahora tras esto, se proceder a

fortalecer este anlisis tcnico y realizar un estudio econmico de la

implementacin de estos sistemas de ERNC.


8.5 Generacin combinada de energa elctrica

Como anteriormente se recomend la utilizacin de ambos sistemas de ENRC para la

generacin de energa elctrica se procedi a realizar un anlisis de los datos que

entregan tanto el explorador elico como solar en los meses ms crticos del ao, los

cuales corresponden a los meses de Marzo (en donde las velocidades del viento son las

ms bajas y existe una alta irradiacin solar) y Junio (en donde hay altas velocidades de

viento y una irradiacin solar muy baja), estas situaciones son obvias debido a la estacin

del ao, invierno mucho viento y poco sol y verano poco viento y mucho sol. Por tanto en

resumen se obtienen las siguientes tablas para los meses crticos de generacin elctrica.

Da Elica Solar Total

01-jun 122,481 21,397 143,88 kWh/da

02-jun 37,041 16,483 53,52 kWh/da

03-jun 49,873 24,979 74,85 kWh/da

04-jun 69,313 25,060 94,37 kWh/da

05-jun 154,981 45,368 200,35 kWh/da

06-jun 25,052 26,329 51,38 kWh/da

07-jun 0,151 50,006 50,16 kWh/da

08-jun 2,492 48,799 51,29 kWh/da

09-jun 11,209 16,724 27,93 kWh/da

10-jun 88,655 19,558 108,21 kWh/da

11-jun 145,237 19,326 164,56 kWh/da

12-jun 61,073 15,616 76,69 kWh/da

13-jun 147,267 50,242 197,51 kWh/da

14-jun 67,938 17,955 85,89 kWh/da

15-jun 34,638 46,665 81,30 kWh/da

16-jun 6,01 50,527 56,54 kWh/da

17-jun 42,078 33,813 75,89 kWh/da

18-jun 88,304 16,680 104,98 kWh/da

19-jun 22,042 17,233 39,28 kWh/da

20-jun 14,226 26,900 41,13 kWh/da

21-jun 4,904 38,565 43,47 kWh/da

22-jun 127,952 17,358 145,31 kWh/da

23-jun 124,396 15,638 140,03 kWh/da

24-jun 136,708 22,804 159,51 kWh/da

25-jun 10,645 16,884 27,53 kWh/da

26-jun 34,555 14,437 48,99 kWh/da

27-jun 112,703 20,119 132,82 kWh/da

28-jun 150,184 14,939 165,12 kWh/da

29-jun 121,278 23,270 144,55 kWh/da

30-jun 57,544 18,421 75,96 kWh/da

Total mensual 2863,03 kWh

Tabla 17 Generacin probable en mes de Junio


De la siguiente tabla se observa que slo en 11 das del mes se generara una

menor energa elctrica a la demandada (71,16 kWh/da), esto se podra suplir a la

hora de hacer andar el generador que alimenta de energa elctrica a los Blowers

alimentadores, pero si se suma el total mensual comparado con el total mensual

requerido, se obtiene un total generado 2863 kWh/mes versus los 2135 kWh/mes

requeridos.

En la siguiente tabla se observa la generacin esperada de energa elctrica en el

mes de marzo.

Da Elica Solar Total

01-mar 40,938 67,171 108,11 kWh/da

02-mar 2,365 81,208 83,57 kWh/da

03-mar 12,998 72,896 85,89 kWh/da

04-mar 2,97 118,683 121,65 kWh/da

05-mar 1,123 127,486 128,61 kWh/da

06-mar 0,381 71,911 72,29 kWh/da

07-mar 46,692 114,682 161,37 kWh/da

08-mar 0,972 168,623 169,59 kWh/da

09-mar 1,9

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MEJORAMIENTO EFICIENCIA ENERGÉTICA PARA PONTONES ALIMENTADORES